Kriterien für die Auswahl der PWM-Frequenz für die Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors?

Es gibt mehrere Probleme, die durch die PWM-Frequenz beim Antreiben eines Motors beeinflusst werden:

1. Die Impulse müssen schnell genug kommen, damit das mechanische System des Motors sie mittelt. Normalerweise reichen einige 10 Hz bis einige 100 Hz dafür aus. Dies ist selten der limitierende Faktor.

2. In einigen Fällen ist es wichtig, dass bei der PWM-Frequenz kein Jammern hörbar ist. Auch wenn die Mechanik als Ganzes nicht auf Einzelimpulse reagiert, können es einzelne Windungen einer Spule. Ein Elektromotor arbeitet mit magnetischen Kräften, wobei jede Drahtschleife in einer Spule angeordnet ist, um diese Kräfte zu erzeugen. Das bedeutet, dass auf jedes Stück Draht in einer Wicklung zumindest zeitweise eine dem Strom proportionale seitliche Kraft einwirkt. Der Draht in den Wicklungen kann sich nicht weit bewegen, aber er kann immer noch genug vibrieren, damit das Ergebnis hörbar ist. Eine PWM-Frequenz von 1 kHz mag in jeder anderen Hinsicht in Ordnung sein, aber wenn dies in ein Endbenutzergerät geht, könnte das Jammern bei dieser Frequenz inakzeptabel sein. Aus diesem Grund wird PWM für die Endverbraucher-Motorsteuerung oft mit 25 kHz durchgeführt, was nur ein wenig über dem liegt, was die meisten Menschen hören können.

3. Durchschnittlicher Spulenstrom. Dies kann ein kniffliges Problem sein. Einzelne Spulen des Motors sehen für den Antriebskreis größtenteils induktiv aus. Sie möchten, dass der Strom durch die Spulen größtenteils dem entspricht, was Sie aus dem von der PWM angelegten Durchschnitt erwarten würden, und nicht bei jedem Impuls wesentlich auf und ab geht.

   Jede Spule hat einen endlichen Widerstand, was zu einem Leistungsverlust führt, der proportional zum Quadrat des durch sie fließenden Stroms ist. Die Verluste sind bei gleichem Durchschnittsstrom höher, wenn es eine große Stromänderung über einen Impuls gibt. Betrachten Sie das extreme Beispiel der Spule, die fast sofort auf die gepulste Spannung reagiert, und Sie treiben sie mit einer 50%igen Rechteckwelle an. Die ohmsche Verlustleistung beträgt 1/2 des Vollbetriebes der Spule, wobei der durchschnittliche Strom (daher das resultierende Motordrehmoment) ebenfalls 1/2 des Vollbetriebs beträgt. Wenn die Spule jedoch mit einem konstanten 1/2-Strom anstelle von Impulsen angesteuert würde, wäre die Widerstandsdissipation 1/4 des Vollausschlags, aber mit der gleichen 1/2 des Vollausschlagstroms und daher dem Drehmoment.

   Eine andere Möglichkeit, darüber nachzudenken, besteht darin, dass Sie keinen signifikanten Wechselstrom zusätzlich zum durchschnittlichen Gleichstrompegel wünschen. Der Wechselstrom bewegt den Motor nicht, nur der Durchschnitt. Die Wechselstromkomponente verursacht daher nur Widerstandsverluste in den Spulen und anderen Stellen.

4. Schaltverluste. Der ideale Schalter ist entweder vollständig ein- oder vollständig ausgeschaltet, was bedeutet, dass er niemals Energie verbraucht. Echte Schalter schalten nicht sofort und verbringen daher eine begrenzte Zeit in einem Übergangsbereich, in dem sie eine erhebliche Leistung verbrauchen. Teil der Aufgabe der Antriebselektronik ist es, diese Übergangszeit zu minimieren. Unabhängig davon, was Sie tun, wird es jedoch einige Zeit pro Kante geben, in der der Schalter nicht ideal ist. Diese Zeit ist normalerweise pro Flanke festgelegt, sodass ihr Anteil an der gesamten PWM-Periode mit der Frequenz ansteigt. Wenn der Schalter beispielsweise bei jedem Impuls insgesamt 1 µs für den Übergang verbringt, beträgt die Übergangszeit bei einer PWM-Frequenz von 25 kHz, was einer Periode von 40 µs entspricht, 1/40 der Gesamtzeit. Das mag akzeptabel sein. Würde man jedoch die Schaltfrequenz auf 100 kHz erhöhen, was eine Periode von 10 µs bedeutet, dann würde die Übergangszeit 10 % betragen.

Was Ihre Strecke betrifft, so ist meine größte Sorge, wie langsam Q1 gefahren wird. Opto-Isolatoren sind notorisch langsam (im Vergleich zu den meisten anderen Komponenten wie einzelnen Transistoren), insbesondere beim Ausschalten. Sie haben nur R2 (obwohl ich seinen Wert lesen kann), der das FET-Gate nach unten zieht, um es auszuschalten. Das wird langsam. Das kann in Ordnung sein, wenn Sie eine langsame PWM-Frequenz tolerieren können, wenn Sie alle anderen Kompromisse berücksichtigen, die ich oben erwähnt habe.

Sie könnten erwägen, einen PIC auf der Motorseite des Optos anzubringen. Sie können digital mit diesem PIC über eine UART-Schnittstelle oder etwas kommunizieren, das nicht mit der PWM-Frequenz laufen muss. Dieser PIC erzeugt dann lokal die entsprechende PWM und treibt Q1 mit zusätzlichen Schaltkreisen für diesen Zweck hart ein und aus. Auf diese Weise gehen die Hochgeschwindigkeitssignale und schnellen Flanken nicht über einen Optokoppler.

Ich würde einen optoisolierten Gate-Treiber wie diesen empfehlen: https://www.fairchildsemi.com/datasheets/FO/FOD3182.pdf Ich habe so etwas in einem Klasse-D-Verstärker mit einer Schaltfrequenz von ~ 200 kHz verwendet.

Um den Wicklungswiderstand zu kommentieren, fließt der Strom im Motor weiter durch die Diode und steigt beim Einschalten exponentiell an, und exp. abklingen, wenn sie ausgeschaltet sind, so dass die Hitze in den Wicklungen nicht so stark ist.